便攜式醫(yī)療應用服務挑戰(zhàn)傳統(tǒng)低功耗訴求

在便攜式醫(yī)療設備設計中，特別是DSP比較集中的設計，設計師們正面臨著一系列的挑戰(zhàn)。通常情況下，設備要求重量輕、外形小、性能高。這些制約因素往往意味著該系統(tǒng)必須以輕巧的鋰離子電池或類似的電源運行。盡可能長的電池壽命、強大的計算能力和靈活的人機界面必然要求使用高性能（計算和信號轉換能力）、低功耗和靈活的DSP子系統(tǒng)。即使使用小型電池滿足了外形需求，功率從而也受到了限制。

便攜醫(yī)療應用信號處理設備的功耗通常分為信號轉換、調(diào)節(jié)以及信號處理。其中，信號轉換、調(diào)節(jié)的功耗很大程度取決于信噪比和帶寬（即采樣率）的要求。

在這個領域有一定的創(chuàng)新空間，因為越多電流供給到信號轉換前端，使用的CMOS（雙極）器件越大，越可以得到較好的信噪比。有更多數(shù)字性質(zhì)的轉換拓撲結構（如Σ - Δ），得益于半導體幾何尺寸的日益減少。但在更小幾何尺寸上漏電流和1/f噪聲的增加，也意味著設計信號調(diào)理部分只有消耗更多的能量，才能實現(xiàn)理想的性能。

最大程度的降低功耗可以通過降低操作電壓實現(xiàn)。但是，對于給定的CMOS和所需操作頻率而言，操作電壓主要由所選擇CMOS的閾值電壓確定。在給定時鐘頻率下，降低閾值電壓允許低電壓運行。但是，亞閾值電流泄露將增加，并可能成為功耗中重要組成部分。在需要長時間待機狀態(tài)的便攜設備中減少泄露電流是至關重要的。

分而治之

一個最大限度提高電源效率的方法是將信號處理算法分成若干區(qū)域，該方法可在簡化的時鐘頻率下并行運作。這有兩種好處：第一，不需要的模塊能夠?qū)⑵涔闹袛嘌h(huán)。第二，簡化的時鐘頻率允許低工作電壓。這就是“分而治之”的方法，在信號處理工程師群體中是人所共知的。其中最好例子就是無處不在的傅立葉變換。

另一種分而治之的方法是將信號處理算法塊分割成兩個集合，矢量要素及組合和不規(guī)則元素。這通常導致多分區(qū)的地方有更高速的信號處理路徑和簡化的控制鏈。如果應用得當，這個方法同樣可以用于硬件（特定應用集成電路，ASIC）或更靈活的如特定應用信號處理器（ASSP）中整個設計是“硬編碼”的應用。

這個設計方法是通用DSP與可重構向量處理器結合實現(xiàn)的，我們稱之為可重構特定應用信號處理器（reconfigurable application-specific signal processor）。安森美半導體首先將這種RASSP方法用于聽覺應用，發(fā)現(xiàn)ASSP與低功耗的ASIC結合可以提供更高的靈活性。

將這種方法與通用計算領域新興的雙核（現(xiàn)在四核）同質(zhì)方法相比是有趣的。二者都能夠降低功耗，因為他們都允許降低操作頻率，從而在較低電壓運行。但是，雙核異質(zhì)方法能夠進一步削減功耗，因為信號處理應用中所需的專門處理是在硬件中實現(xiàn)的。

在實際中如聽覺、便攜式音頻和一些新興醫(yī)療應用中使用這種方法被證明是成功的。可重構處理器側重于矢量“數(shù)字運算”，而通用的、雙MAC（乘加）數(shù)字信號處理器進行側鏈處理、通訊以及人機界面元素的設計。在此基礎上，小型、超低功耗DSP應用正出現(xiàn)在各種各樣的便攜醫(yī)療應用中。

編程挑戰(zhàn)

可編程雙核異質(zhì)系統(tǒng)帶來了一些挑戰(zhàn)。但是，強大的工具集和經(jīng)過適當培訓，大多數(shù)DSP工程師都能應付自如?？删幊坍愘|(zhì)雙核系統(tǒng)中高級工具的使用仍在研究中，隨著新想法的涌現(xiàn)，必將精簡該設計過程。

對于大多數(shù)在雙核、異質(zhì)器件中實現(xiàn)的信號處理算法，基于區(qū)塊的方法被用于整個信號處理架構。這導致了自然系統(tǒng)的“心跳”或稱“tick”，即碼率。在這些系統(tǒng)中對信號處理算法分區(qū)是富有挑戰(zhàn)性的，因為其必須覆蓋處理器（通用處理器與可編程處理器）和時間。以tick劃分區(qū)塊可以盡量減少側鏈參數(shù)的更新率，從而將功耗減小到最小值。

在處理器分區(qū)可以通過基于Matlab界面而簡化，而可重構向量處理器可以通過使用“函數(shù)鏈”簡化。一個函數(shù)鏈將一系列的矢量操作聚集到一個總函數(shù)中，這就是所謂的通用處理器。功能鏈完成重構處理器與通用處理并行操作及操作完成時的中斷功能。

這個高效矢量處理和多速處理并行處理過程，為便攜醫(yī)療應用提供了超低功耗。簡而言之，便攜醫(yī)療應用中的超低功耗需要合適的硬件方法和高效的、良好編碼信號處理算法。

例如：脈搏血氧儀

該DSP設計和編程方法已經(jīng)應用于低功耗、便攜脈搏血氧儀系統(tǒng)。在典型的指尖脈搏血氧計中，紅光和紅外光交替?zhèn)魉偷讲∪说氖种福褂靡粋€光電二極管探測手指對光的吸收量。通過紅光與紅外光的吸收量可以確定病人的血氧水平（血氧飽和度）。

從所接收的信號提取生命體征是一個具有挑戰(zhàn)性的信號處理任務。它通常由大的、現(xiàn)成的通用DSP實現(xiàn)，這類DSP不能提供便攜應用所需的低功耗。使用安森美異質(zhì)雙核方法以及高采樣率信號處理過程，如解調(diào)、數(shù)字濾波、抽取及頻域分析，能夠有效地映射到重構向量處理器中。該方法滿足了通用DSP處理復雜信號分析和所需邏輯，從而確定血樣飽和度的讀數(shù)。

在一個血樣飽和度系統(tǒng)原型中，DSP子系統(tǒng)包括信號轉換，當讀讀取血樣飽和度讀數(shù)時，工作電壓僅為1.8V，工作電流僅為2.5mA。

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